세륨

세륨은 원소기호 Ce를 쓰는 원자 번호 58의 화학 원소로써 연성이 있는 은백색의 금속이다. 또한, 공기 중에 노출되면 쉽게 색이 변하며 칼로 자를 수 있을 만큼 무르다. 란타넘족의 두 번째 원소이며 주로 +3 산화 상태를 갖지만, 물질에 따라 안정적인 +4 산화 상태를 가질 때도 있다. 또한, 란타넘족 원소들 중 가장 흔한 원소이며, 네오디뮴, 란타넘, 프라세오디뮴 등이 그 뒤를 잇는다. 지구의 지각에서 26번째로 풍부한 원소이며 66 ppm이 포함되어 있다. 생물학적으로 특별한 역할을 하지는 않으며 독성은 없는 것으로 알려져 있다. 1803년 스웨덴의 화학자 베르셀리우스(J. J. Berzelius)와 히싱어(W. Hisinger)에 의해 발견된 첫 번째 란타넘족 물질이며, 독일의 화학자 클라프로트(M. H. Klaproth)에 의해서도 독자적으로 발견되었다. 세륨 금속과 그 화합물은 다양한 용도로 사용되는데 특히, 산화물은 유리를 연마하거나 촉매 장치에 사용하기도 한다.

목차

세륨은 무르고 연성이 있는 은회색의 금속이며 녹는점은 795 ℃이고, 끓는점은 3443 ℃ 이다. 전자 배치는 [Xe] 4f¹5d¹6s² 로써 원자가 전자는 4개이지만, 대부분의 란타넘족 원소들은 주로 3개이다. 다른 란타넘족 원소들과 마찬가지로, 세륨 금속 역시 고온과 실온, 저온에서 각기 다른 결정구조를 가진다.

세륨()

세륨은 공기 중에서 색이 변하면서 산화될 수 있으며 이때 금속 표면에 산화층을 형성한다. 센티미터 크기의 세륨 금속 샘플은 약 1년 만에 완전히 부식된다. 또한, 세륨 금속은 150 °C에서 쉽게 연소하여 세리아(ceria, CeO₂)로 알려진 엷은 황색의 세륨(IV) 산화물을 형성한다. 이 화합물은 수소 기체와 반응하여 산화 세륨(III)으로 환원된다.

Ce + O₂ → CeO₂

세리아()

세륨은 물과 쉽게 반응하기도 하는데 차가운 물에서는 상대적으로 반응이 느리게 일어나지만, 온도가 증가함에 따라 반응 속도가 빨라져 수산화 세륨(III)과 수소 기체를 쉽게 생성한다.

2 Ce (s) + 6 H₂O (1) → 2 Ce(OH)₃ (aq) + 3 H₂ (g)

또한 세륨은 모든 할로젠과 반응하여 백색 혹은 황색의 할로젠 화합물을 내놓는다.

2 Ce (s) + 3 X₂ (g) → 2 CeX₃ (s) (X = F, Cl, Br, I)

또한 과량의 불소와 반응하여 안정적인 흰색의 테트라플루오린화 세륨(CeF₄)을 생성하기도 하나, 그 외의 테트라 할로젠 화합물은 알려지지 않았다.

1803년 스웨덴의 화학자 베르셀리우스와 히싱어에 의해 발견된 란타넘족의 첫 번째 물질인 세륨은, 독일의 화학자 클라프로트에 의해서 독자적으로 발견되기도 하였다. 세륨이라는 이름은 1801년 발견된 왜행성 세레스의 이름을 따서 붙여졌다.

세륨을 생산하기 위해서는 우선 희토류 광석을 뜨거운 황산으로 처리하여 희토류 원소를 포함하는 수용성 황산염을 제조한 후, 이 산성용액에 수산화 소듐을 첨가하여 pH를 높인 후 토륨을 수산화물로 침전시켜 제거한다. 그다음 옥살산암모늄((NH₄)₂C₂O₄)을 첨가하여 희토류 원소들의 옥살산염을 만들고 이를 침전시켜 얻은 후, 공기 중에서 이들은 열분해하여 희토류 금속의 혼합 산화물을 얻는다. 희토류 혼합 산화물을 질산 또는 염산으로 처리하면 산화 세륨(CeO₂)을 제외한 다른 희토류 원소들의 산화물은 녹기 때문에 산화 세륨만을 분리할 수 있는데, 이는 산화 세륨(CeO₂)이 다른 란타넘족 원소의 산화물과는 달리 염기성에 매우 약하기 때문이다. 요즘은 주로 이온 교환 방법으로 세륨 이온을 다른 희토류 금속 이온들과 분리하여 얻는다.

세륨의 산화물인 세리아는 세륨 화합물 중 가장 널리 사용되는 화합물로써 화학적-기계적 연마(Chemical-Mechanical Planarization)와 같은 공정에 연마제로 쓰인다. 특히 고품질의 광학 표면을 제조하기 위한 공정에서는 다른 금속 산화물의 대체물로 사용되기도 한다. 자동차 산업 분야에서는 자동차의 배기가스에 포함된 CO와 NO_x 등을 산화시키기 위한 촉매 변환기에 주로 사용된다. 메탄 설폰산 용액에 포함된 세륨(IV)은 재사용이 가능한 산화제로써 대규모 전기 합성에 사용된다. 질산세릭 암모늄은 전자 부품을 에칭하는 산화제로 쓰이기도 하고 정량 분석의 표준물질로 사용되기도 한다.

술폰산 세륨 ()

또한 미시메탈(mischmetal)이라고 불리기도 하는 세륨 미시메탈은 희토류 원소로 이루어진 합금으로써 라이터나 토치에 포함된 발화체의 부싯돌로 사용된다. 주성분은 세륨 50%, 란타넘 25%, 그리고 약간의 네오디뮴과 프라세오디뮴으로 이루어져 있는데, 이처럼 무른 희토류 금속들만의 조합으로는 좋은 부싯돌의 역할을 하기 어렵기에, 이를 보완하기 위해 단단한 산화철이나 산화마그네슘 등을 혼합하여 사용하기도 한다.

미시메탈 ()